Ang Aluminyum kumpara sa Copper na Windings sa mga Power Transformers: Paghahambing ng Cost at Performance

Sa kasalukuyan, ang presyo ng tanso sa merkado ay nananatiling mataas, nagbabago sa rango ng 70,000 hanggang 80,000 yuan bawat tonelada. Sa kabilang banda, ang presyo ng aluminio ay nananatiling mababa, nasa rango ng 18,000 hanggang 20,000 yuan bawat tonelada. Para sa mga power transformer, ang pagpapalit ng tansong winding sa aluminiong winding sa disenyo ay tiyak na makakapag-ahon ng malaking bahagi sa gastos ng materyales ng produkto, nagbibigay ng malaking pagbabawas ng gastos para sa mga end customer.

Sa mahabang panahon, ito ay malawakang pinaniwalaan sa industriya na ang aluminiong winding ay maaaring gamitin lamang sa mga power transformer na may antas ng volt na 35kV at ibaba. Sa katunayan, ito ay isang malaking maling pag-unawa. Sa katotohanan, ang aluminiong winding ay maaaring ipakita ang mas malaking mga benepisyo kapag ginamit sa mga high-voltage power transformer. Ang tunay na salik na nakakapaghadlang sa paglalaganap at paggamit ng aluminiong winding ay ang yield strength ng aluminiong conductor na maaari lamang maabot ang humigit-kumulang na 70MPa sa kasalukuyan, na maaaring magresulta sa hindi sapat na short-circuit withstand capacity ng mga winding ng transformer sa ilang sitwasyon.

1. Kasalukuyang Sitwasyon at Pamantayan
1.1 Kasalukuyang Sitwasyon ng Aluminiong Winding Transformers

Sa ibang bansa, ang mga aluminiong winding transformers ay malawakang ginagamit sa larangan ng distribution transformers at may kaunting aplikasyon sa main transformers. Sa Tsina, bagama't ang aluminiong winding ay ginagamit na sa mga distribution transformers, ang main transformers na may antas ng volt na 110kV hanggang 1000kV ay hindi pa legal na ginagamit.

1.2 Mga Nakaugaliang Pamantayan para sa Aluminiong Winding Transformers

Ang pandaigdigang pamantayan na IEC at ang pambansang pamantayan na GB ay malinaw na pinapayagan ang mga power transformers na gumamit ng tanso o aluminio bilang materyales ng conductor para sa mga winding. Bukod dito, inilathala ng National Energy Administration ang mga pamantayan ng industriya para sa mga aluminiong winding transformers noong Enero 2016, kasama ang Teknikal na Parameter at Mga Rekwisito para sa 6kV～35kV Oil-immersed Aluminiong Winding Distribution Transformers at Teknikal na Parameter at Mga Rekwisito para sa 6kV～35kV Dry-type Aluminiong Winding Transformers. Ito ay lubusang nagpapakita na, mula sa perspektibo ng pamantayan, ang aplikasyon ng mga aluminiong winding transformers ay legal.

2. Kuantitatibong Paghahambing ng Gastos

Ayon sa karaniwang karanasan sa disenyo, sa kondisyon na sinisigurado ang pare-parehong performance parameters ng transformer (tulad ng no-load loss, load loss, short-circuit impedance, short-circuit withstand capacity margin, atbp.), kasama ang kasalukuyang presyo ng raw materials (ang presyo ng market ng bare copper ay humigit-kumulang 70,000 yuan bawat tonelada, at ang presyo ng market ng bare aluminum ay humigit-kumulang 20,000 yuan bawat tonelada), ang pangunahing gastos sa materyales ng mga transformer na gumagamit ng aluminiong winding ay maaaring mapangkas ng higit sa 20% kumpara sa mga gumagamit ng tansong winding.

Ang sumusunod ay isang partikular na paghahambing gamit ang SZ20-50000/110-NX2 power transformer bilang halimbawa.

Makikita mula sa resulta ng paghahambing na ito na, sa kondisyon na sinisigurado ang parehong performance parameters, para sa 50MVA/110kV double-winding Class II energy-efficient power transformer, ang gastos ng aluminiong winding ay humigit-kumulang 23.5% mas mababa kaysa sa tansong winding, at ang epekto ng pagbabawas ng gastos ay napakalaki.

Kwalitatibong Paghahambing ng Performance

Ang kwalitatibong paghahambing ng pangunahing performance ng mga power transformer na may aluminiong winding at tansong winding ay nahahati sa mga sumusunod na aspeto:

3.1 No-load Loss

Ang laki ng core ng aluminiong winding transformer ay mas malaki. Upang siguruhin ang parehong no-load loss, maaari itong makamit sa pamamagitan ng pagbabawas ng magnetic flux density o diameter ng core o sa pamamagitan ng pagpili ng silicon steel sheets na may mas mababang unit loss.

3.2 Load Loss

Dahil ang resistivity ng aluminiong conductor ay humigit-kumulang 1.63 beses ang tansong conductor, upang siguruhin ang parehong load loss, karaniwang binabawasan ang current density ng aluminiong winding conductors.

3.3 Short-circuit Withstand Capacity

Sa kondisyong conventional short-circuit impedance at rated capacity na mas mababa sa 100MVA, basta ang disenyo ay maayos, ang aluminiong winding transformer ay maaari ring magkaroon ng sapat na short-circuit capacity. Gayunpaman, kapag ang rated capacity ng transformer ay higit sa 100MVA o ang impedance ay mas mababa, ang aluminiong winding transformer ay maaaring ipakita ang katangian ng hindi sapat na short-circuit withstand capacity.

3.4 Insulation Margin

Dahil sa mas malaking laki ng gauge ng aluminiong conductor at mas malaking radius ng conductor curvature, ang aluminiong winding ay makakakuha ng mas pantay na electric field kumpara sa tansong winding. Sa parehong main insulation distance ng winding at oil gap division, magkakaroon ng mas malaking main insulation margin. Sa longitudinal insulation ng winding, ang malaking laki ng aluminiong conductor ay nangangahulugan ng mas malaking inter-turn capacitance, na mas makakatulong din sa distribusyon ng wave process. Ito ang pangunahing prinsipyong nagpapahusay ng aluminiong winding para sa high-voltage transformers.

3.5 Temperature Rise Level

Dahil sa mas malaking laki ng gauge ng aluminiong conductor, ang aluminiong winding transformer ay magkakaroon ng mas malaking heat dissipation surface kumpara sa tansong winding transformer. Sa kondisyon na parehong heat source, makakamit ang mas mababang copper-oil temperature rise. Bukod dito, dahil ang skin effect ng aluminiong conductor ay mas mahina kaysa sa tansong winding at mas maliit ang eddy current loss, ang aluminiong winding ay magkakaroon ng mas mababang hot-spot temperature rise.

3.6 Overload at Lifetime

Dahil sa mas mahinang skin effect ng winding mismo at mas mababang hot-spot temperature rise, sa parehong kondisyon, ang aluminiong winding transformer ay magkakaroon ng mas mahabang lifetime at mas malakas na overload capacity.

4 Buod

Sa kondisyon na sinisigurado ang parehong performance parameters, batay sa kasalukuyang presyo ng tanso at aluminio, ang mga power transformer na gumagamit ng aluminiong winding ay karaniwang mapapabawas ng higit sa 20% ang gastos kumpara sa mga gumagamit ng tansong winding. Sa teknikal na perspektibo, maliban sa short-circuit withstand capacity, ang komprehensibong performance ng mga power transformer na gumagamit ng aluminiong winding ay walang dudang naging lider kumpara sa mga gumagamit ng tansong winding.

Sa pundamental na perspektibo, ang limitadong aplikasyon ng mga power transformer na gumagamit ng aluminiong winding ay hindi nasa mataas na voltage, kundi sa malaking capacity. Sa esensya, ito ay nasa natural na hindi sapat na yield strength ng aluminiong conductor, na nagpapahirap sa pagpuno ng short-circuit withstand capacity ng ilang malaking capacity o low-impedance power transformers. Ang paglitaw ng mga conductor para sa aluminiong alloy transformer windings ay isang pagsubok na solusyon sa problema na ito.

Gayunpaman, ang pagtaas ng short-circuit impedance ng mga power transformer ay maaaring mabilis na solusyon sa problema. Matapos ang pagtaas ng short-circuit impedance ng mga power transformer, ang short-circuit current ay mababawasan. Kahit para sa malaking capacity (tulad ng higit sa 180MVA) power transformers, ang short-circuit withstand capacity ng aluminiong winding ay maaaring hindi na maging isyu.